Technologia laserowego wytwarzania addytywnego (AM), z jej zaletami w postaci wysokiej dokładności produkcji, dużej elastyczności i wysokiego stopnia automatyzacji, jest szeroko stosowana w produkcji kluczowych komponentów w takich dziedzinach jak motoryzacja, medycyna, lotnictwo i kosmonautyka (np. dysze paliwa rakietowego, wsporniki anten satelitarnych, implanty ludzkie itp.). Technologia ta może znacznie poprawić wydajność łączenia drukowanych części poprzez zintegrowaną produkcję struktury i wydajności materiału. Obecnie technologia laserowego wytwarzania addytywnego wykorzystuje zazwyczaj skupioną wiązkę Gaussa o wysokim rozkładzie energii w centrum i niskim rozkładzie energii na krawędzi. Często jednak generuje ona wysokie gradienty temperatury w stopie, co prowadzi do powstawania porów i gruboziarnistych struktur. Technologia kształtowania wiązki to nowa metoda rozwiązania tego problemu, która poprawia wydajność i jakość druku poprzez regulację rozkładu energii wiązki laserowej.
W porównaniu z tradycyjnym wytwarzaniem metodą ubytkową i równoważną, technologia wytwarzania przyrostowego metali oferuje takie zalety, jak krótki czas cyklu produkcyjnego, wysoka dokładność przetwarzania, wysoki wskaźnik wykorzystania materiału oraz dobra ogólna wydajność części. Dlatego technologia wytwarzania przyrostowego metali jest szeroko stosowana w takich branżach jak przemysł lotniczy, zbrojeniowy i sprzętowy, energetyka jądrowa, biofarmaceutyczny i motoryzacyjny. Opierając się na zasadzie dyskretnego układania warstw, wytwarzanie przyrostowe metali wykorzystuje źródło energii (takie jak laser, łuk elektryczny lub wiązka elektronów) do topienia proszku lub drutu, a następnie układa je warstwa po warstwie w celu wytworzenia docelowego komponentu. Technologia ta ma znaczące zalety w produkcji małych partii, złożonych konstrukcji lub części spersonalizowanych. Materiały, których nie można lub które są trudne do przetworzenia tradycyjnymi technikami, również nadają się do przygotowania metodami wytwarzania przyrostowego. Ze względu na powyższe zalety, technologia wytwarzania przyrostowego przyciągnęła szerokie zainteresowanie naukowców zarówno w kraju, jak i za granicą. W ciągu ostatnich kilku dekad technologia wytwarzania przyrostowego poczyniła szybki postęp. Ze względu na automatyzację i elastyczność urządzeń do wytwarzania przyrostowego metodą laserową, a także wszechstronne zalety wysokiej gęstości energii laserowej i wysokiej dokładności przetwarzania, technologia wytwarzania przyrostowego metodą laserową rozwija się najszybciej spośród trzech wyżej wymienionych technologii wytwarzania przyrostowego metali.
Technologię laserowego wytwarzania przyrostowego metali można podzielić na LPBF i DED. Rysunek 1 przedstawia typowy schemat procesów LPBF i DED. Proces LPBF, znany również jako selektywne stapianie laserowe (SLM), umożliwia wytwarzanie złożonych elementów metalowych poprzez skanowanie wysokoenergetycznych wiązek laserowych wzdłuż ustalonej ścieżki na powierzchni złoża proszku. Następnie proszek topi się i krzepnie warstwa po warstwie. Proces DED obejmuje głównie dwa procesy drukowania: osadzanie z topieniem laserowym i wytwarzanie przyrostowe z podawaniem drutu laserowego. Obie te technologie umożliwiają bezpośrednią produkcję i naprawę części metalowych poprzez synchroniczne podawanie proszku metalowego lub drutu. W porównaniu z LPBF, DED charakteryzuje się wyższą wydajnością i większą powierzchnią produkcyjną. Ponadto, metoda ta umożliwia również wygodne przygotowywanie materiałów kompozytowych i materiałów gradientowych. Jednak jakość powierzchni części drukowanych metodą DED jest zawsze niska, a późniejsza obróbka jest konieczna w celu poprawy dokładności wymiarowej docelowego elementu.
W obecnym procesie laserowego wytwarzania addytywnego, źródłem energii jest zazwyczaj skupiona wiązka Gaussa. Jednak ze względu na jej unikalny rozkład energii (wysoki środek, niska krawędź), może ona powodować wysokie gradienty temperatury i niestabilność jeziorka stopionego materiału. Skutkuje to niską jakością formowania drukowanych elementów. Ponadto, jeśli temperatura w środku jeziorka stopionego materiału jest zbyt wysoka, powoduje to parowanie elementów metalowych o niskiej temperaturze topnienia, co dodatkowo pogarsza niestabilność procesu LBPF. Dlatego wraz ze wzrostem porowatości, właściwości mechaniczne i trwałość zmęczeniowa drukowanych elementów ulegają znacznemu pogorszeniu. Nierównomierny rozkład energii wiązek Gaussa prowadzi również do niskiej efektywności wykorzystania energii lasera i nadmiernych strat energii. Aby uzyskać lepszą jakość druku, naukowcy zaczęli badać możliwości kompensacji defektów wiązek Gaussa poprzez modyfikację parametrów procesu, takich jak moc lasera, prędkość skanowania, grubość warstwy proszku i strategia skanowania, w celu kontrolowania potencjalnego wkładu energii. Ze względu na bardzo wąskie okno przetwarzania tej metody, stałe ograniczenia fizyczne ograniczają możliwość dalszej optymalizacji. Na przykład, zwiększenie mocy lasera i szybkości skanowania może zapewnić wysoką wydajność produkcji, ale często wiąże się z utratą jakości druku. W ostatnich latach zmiana rozkładu energii lasera poprzez strategie kształtowania wiązki może znacząco poprawić wydajność produkcji i jakość druku, co może stać się przyszłym kierunkiem rozwoju technologii laserowego wytwarzania addytywnego. Technologia kształtowania wiązki zasadniczo polega na regulacji rozkładu czoła fali wiązki wejściowej w celu uzyskania pożądanego rozkładu intensywności i charakterystyki propagacji. Zastosowanie technologii kształtowania wiązki w technologii wytwarzania addytywnego metali przedstawiono na rysunku 2.
Zastosowanie technologii kształtowania wiązki w produkcji addytywnej laserowej
Wady tradycyjnego druku wiązką Gaussa
W technologii laserowego wytwarzania addytywnego metali, rozkład energii wiązki laserowej ma znaczący wpływ na jakość drukowanych elementów. Chociaż wiązki Gaussa są szeroko stosowane w urządzeniach do laserowego wytwarzania addytywnego metali, charakteryzują się one poważnymi wadami, takimi jak niestabilna jakość druku, niskie zużycie energii i wąskie okna procesowe w procesie wytwarzania addytywnego. Wśród nich, proces topienia proszku i dynamika jeziorka stopionego metalu podczas laserowego wytwarzania addytywnego metali są ściśle związane z grubością warstwy proszku. Ze względu na obecność stref rozpryskiwania i erozji proszku, rzeczywista grubość warstwy proszku jest wyższa niż teoretycznie oczekiwana. Po drugie, kolumna pary wodnej powoduje główne rozpryski wsteczne. Opary metalu zderzają się z tylną ścianką, tworząc rozpryski, które są rozpylane wzdłuż przedniej ściany prostopadle do wklęsłej powierzchni jeziorka stopionego metalu (jak pokazano na rysunku 3). Ze względu na złożoną interakcję między wiązką laserową a rozpryskami, wyrzucane rozpryski mogą poważnie wpłynąć na jakość druku kolejnych warstw proszku. Ponadto powstawanie dziurek w jeziorku stopowym również poważnie wpływa na jakość drukowanych elementów. Wewnętrzne pory w drukowanym elemencie powstają głównie w wyniku niestabilności otworów blokujących.
Mechanizm powstawania defektów w technologii kształtowania wiązki
Technologia kształtowania wiązki pozwala na poprawę wydajności w wielu wymiarach jednocześnie, co różni się od wiązek Gaussa, które poprawiają wydajność w jednym wymiarze kosztem utraty innych wymiarów. Technologia kształtowania wiązki pozwala precyzyjnie regulować rozkład temperatury i charakterystykę przepływu w jeziorku stopionego materiału. Kontrolując rozkład energii lasera, uzyskuje się stosunkowo stabilny jeziorko stopionego materiału o niewielkim gradiencie temperatury. Odpowiedni rozkład energii lasera jest korzystny dla redukcji porowatości i defektów rozpylania oraz poprawy jakości druku laserowego na elementach metalowych. Może on prowadzić do różnych usprawnień w zakresie wydajności produkcji i wykorzystania proszku. Jednocześnie technologia kształtowania wiązki oferuje nam więcej strategii przetwarzania, znacznie zwiększając swobodę projektowania procesów, co stanowi rewolucyjny postęp w technologii laserowego wytwarzania addytywnego.
Czas publikacji: 28-02-2024
